大型港口机械钢结构细部处理问题的研究

大型港口机械钢结构细部处理问题的研究2009年3月19日摘要：大型港口机械钢结构细部结构处理问题研究，以卸船机为主要研究对象，基于板壳理论，采用有限元法，梁壳单元混合建模，对卸船机的细部钢结构进行分析，并得到细部结构处理问题的意见和建议。关键词：港口机械；卸船机；钢结构细部处理；板壳理论；有限元分析1概述卸船机作为大型港口重要的装卸设备，其性能优劣将对整个散货运输工艺系统生产效率产生举足轻重的影响。卸船机钢结构承受着自重、起升载荷、风载荷等垂直、水平及侧向等多种载荷。因此，钢结构不但结构复杂，而且其受力和应力分布情况较为复杂。另一方面，随着整个结构的外伸距变大对整机重量和轮压分布起主要影响，设计中必然要求在满足强度和刚度的条件下，尽可能减轻自重。本文以卸船机的钢结构为研究对象，对大型港口机械钢结构细部处理问题进行了分析研究，根据实际情况，细部结构处理对整机结构的安全性有重要影响，因此，细部结构处理显得越来越重要；研究钢结构动态分析主要以细部处理为主，目的是对细部结构有更深刻的了解，从而设计合理的细部结构以避免发生局部裂纹，确保结构的良好性能。2主要载荷和细部处理问题卸船机的额定起重量和生产率是满足现场散货卸船作业时所必须的，是设备设计的重要依据。具体的工作载荷是按抓斗自重以及抓斗中物料重量作为集中载荷，施加在整体结构上，细部结构性能不好，会发生局部裂纹，导致结构无法承受外力而倒塌。卸船机结构系统在杆件连接接头处，是决定结构强度的重要位置。主要问题是：对于连接处，由于焊接工艺的要求，需要留焊接工艺孔，而根据计算结果，工艺孔会导致局部应力过大，超过材料的屈服极限；另外，在实际使用过程中，同样的位置也出现过裂纹，因此，细部需要进一步处理，以保证结构的安全性。这里主要侧重于分析细部结构如何处理的问题。3理论分析传统的焊接工艺孔如图1所示，其目的是避免3条焊缝汇交于一点，产生应力集中。预留焊接工艺孔确实可以避免焊缝的汇交，然而，焊接工艺孔同时又会产生工艺孔附近区域的应力集中。对于均匀受拉的平板，小圆孔对板的应力分布产生的影响，如果板很大，圆孔很小，则圆孔边上的m和n点将发生应力集中的现象。通常人们将比值K称为集中因子，在本问题中，K=3。如果上述板在x方向和y方向同时均匀受拉，则应力集中因子K=2。应力集中是工程中常见的问题，指物体中应力梯度局部增高的现象，一般出现在物体形状急剧变化的地方，如缺口、孔洞、沟槽以及有刚性约束处。应力集中能使物体产生疲劳裂纹，也能使脆性材料制成的零件发生静载断裂。在应力集中处，应力的最大值与物体的几何形状和加载方式等因素有关。反映局部应力增高程度的参数有理论应力集中因数，它是峰值应力和不考虑应力集中时的名义应力的比值，恒大于1，且与载荷的大小无关。对受单向均匀拉伸的无限大薄板中的圆孔，该比值等于3。工程构件的应力集中因数可以通过实验法和数值法确定。利用ANSYS软件对含圆孔有限大矩形薄板2端均匀受拉进行应力分析，得出应力集中因数随不同的圆孔直径与板宽比值的变化曲线。通过和弹性力学解的比较，ANSYS计算出的含圆孔薄板的应力集中解是可靠的。应力集中因数的收敛性与网格划分的密度有关。矩形薄板的应力集中因数除与径宽比有关外，还与长宽比有关。当径宽比趋向0时，应力集中因数趋向预测值3。当长宽比大于2时，不同长宽比的应力集中因数趋向一致，可用近似计算。因此，焊接工艺孔避免了焊缝汇交引起的应力集中，而同时又引起了孔附近的应力集中。如何处理焊接工艺孔引起的应力集中，是本文重点研究的问题。4模型处理和计算载荷首先，根据图纸建立模型，有限元模型采用梁单元和壳单元混合建模，采用“Shell16”(4节点壳单元)，以在壁厚正方向获得更精确应力结果。计算过程是静态和线性的。计算模型建立的原则如下：(1)整体钢结构采用空间梁单元模拟；(2)细部钢结构用空间壳单元模拟，梁单元与壳单元连接采用刚性约束的方式，这是在梁壳单元混合建模中简便有效的方式；(3)大车行走结构没有与钢结构放在同一模型中一起进行分析；(4)考虑4根立柱的底端为约束3个方向平动自由度，其余自由度释放；(5)所考虑的荷载包括钢结构的自重、节点的自重以及工作荷载。根据上述原则建立卸船机结构的有限元计算模型。4.1几何尺寸选取卸船机结构上关键的联接点建立模型，如图3所示。为了获得真实的应力分布，将网格划分细化，单元大小控制为2.5～10cm如图4所示。图4是在全局坐标系下建立的，坐标系的定义：X轴垂直于大车轨道方向；Y轴竖直方向；Z轴平行于大车轨道方向。4.2联接点的几何特征联接点模型包括：(1)后大梁联接后拉杆(1500×1000型梁，内有隔板和筋)；(2)后拉杆连接板和后拉杆直径为700×12圆管；(3)后拉杆(700×12圆管)；(4)联接板(3200mm×1800mm)；(5)联接后大梁和上横梁的杆件(980mm×720mm箱形梁)；(6)侧边圆管(300×8圆管)。4.3计算将模型的支撑作为边界条件，并保持合适的距离用来传递刚度，考虑3个方向的力和3个方向上的弯矩，然后将各个方向的应力组合，形成一个平均应力，该应力能有效地反映联接点上的应力分布，可以用来判断结构的安全性。5计算结果分析根据图纸要求，采用材料Q345，屈服极限345MPa，材料的线性弹性模量E=2.1×105MPa。5.1联接点计算结果及分析平均应力为230MPa(米泽斯应力)，位置在前拉杆联接板与大梁连接处的后拉杆上。最危险点出现在连接后大梁后拉杆的圆管上，应力集中是由于焊接工艺孔造成截面变化引起的，应力将扩散到相临近的区域，如果把工艺孔覆盖，则最大应力就会降低。后拉杆圆管集中应力541MPa，覆盖工艺孔后，则最大应力就会降低为230MPa。覆盖工艺孔后，后大梁最大应力是230MPa，根据材料的许用应力，这个应力值是安全的。5.2降低应力的措施(1)焊接长腰型盖板，这样可以改变传力的路径，避免在应力孔周围传力，从而避免应力集中引起大应力区域(图5)。(2)增加节点板的插入深度，这样可以使截面过渡比较平缓，如图6中标记尺寸所示，从而避免应力集中，降低应力。6结论基于有限元分析的主联接点计算，可以得到联接点处的应力不满足材料的许用应力，根据设计规范，是不符合要求的。必须采取相应的措施来降低应力以满足材料的许用应力值。由于焊接工艺孔造成局部应力集中，把工艺孔覆盖是一种降低应力集中的方法。另外增加联接板的长度也可以有效的降低应力，在集中应力处焊接一块厚板也是能有效降低应力的方法。卸船机结构设计除了应考虑整机结构的安全与稳定性外，还应对其传力构件的细部结构进行应力分析。细部结构对整机的安全影响是关键性的，如果细部结构未能处理好，也会影响整机安全性，因此，结构设计时必须事前对传力路径的重点位置进行应力分析，并做相应处理才能保证结构的整体安全。